1、第3章 太阳能光伏电池,何 道 清 编制 2011.12,第3章 太阳能光伏电池,太阳能光伏电池太阳能 电能,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.1半导体基础知识1.导体、绝缘体和半导体 （1）自由电子与自由电子浓度物质由原子组成，原子由原子核和核外电子组成 ，电子 受原子核的作用，按一定的轨道绕核高速运动。能在晶体 中自由运动的电子，称为“自由电子”，它是导体导电的 电荷粒子。自由电子浓度：单位体积中自由电子的数量，称为自由 电子浓度，用n表示，它是决定物体导电能力的主要因素之 一。,（2）晶体中自由电子的运动由于晶体内原子的振动，自由电子在晶体中做杂乱无章 的运动。电流：导体中的自由电子在
2、电场力作用下的定向运动形 成电流。迁移率：在单位电场强度（1V/cm）下，定向运动的自 由电子的“直线速度”，称为自由电子的迁移率，用表 示，这也是决定物体导电能力的主要因素。电导率：表征物体导电能力的物理量，用表示,=en电阻：导体中的自由电子定向运动形成电流所受到的“阻力”，它也表征表征物体导电能力。导体的电阻特性用电阻 率表示 （=1/ ） 。导体电阻,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,（3）导体、绝缘体和半导体 导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm ；绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的 物体 ，电阻率为108l020cm ；半导体，导
3、电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻 率为10-5l07cm 。导电机理：金属导体导电是自由电子（n恒定）在电场力作用下的定 向运动， 电导率基本恒定；半导体导电是电子和空穴在电场力作用下的定向运动。电 子和空穴的浓度随温度、杂质含量、光照等变化较大，影 响其导电能力。,3.1 太阳能光伏发电原理,2.硅的晶体结构 （1）硅的原子结构 硅(Si)原子，原子序数14，原子核外14个电子，绕核运 动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第 三层4个电子(不满)，如图3-1所示。,图3-1 硅的原子结构 及其原子能级,3.1 太阳能光伏发电原理,（2） 硅的晶体结构 硅晶体中的硅原
4、子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有 序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两 个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原 子紧密地结合在一起，构成晶体。,图3-2硅的晶胞结构,3.1 太阳能光伏发电原理,硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按 一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体 的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列， 即长程有序，就称其为单晶体。在硅晶体中，每个硅原子 近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它 们与两个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠 共价键的作用，使硅原子紧紧结合在
5、一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多 晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式， 如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无 序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。,3.1 太阳能光伏发电原理,3. 能级和能带图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量能级(E), 单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许 多电子能级，形成一个“能带” 。,图3-3 单原子的电子能级对应的固体能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带 电子只能在各能带内运动 ，能带之间的区域没有电子态, 这个区域叫做“禁带”，用Eg 表示。完全被
6、电子填满的能带称为“满带”，最高的满带容纳 价电子，称为“价带”,价带上面完全没有电子的称为“空 带”。有的能带只有部分能级上有电子,一部分能级是空的。 这种部分填充的能带,在外电场的作用下,可以产生电流。而没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为 “导带”。,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带,(a)金属 (b)半导体 (c)绝缘体 图3-4 金属、半导体、绝缘体的能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带,图3-4 晶体的能带,3.1 太阳能光伏发电原理,4. 禁带、价带和导带 禁带宽度Eg价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参与导电运动， 必须从外界获得
7、大于或等于Eg的附加能量，Eg的大小就是导 带底部与价带顶部之间的能量差，称为“禁带宽度”或“带 隙” 表3-1 半导体材料的禁带宽度,3.1 太阳能光伏发电原理,金属与半导体的区别：金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件 下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量 （Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以 是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子， 每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电 子非常少，固其电导率很低 。,3.1 太阳能光伏发电原理,5.电子和
8、空穴 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下 一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这 种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。 电子-空穴对不断产生， 又不断复合。,图3-5 具有一个断键的硅晶体,3.1 太阳能光伏发电原理,6. 掺杂半导体 晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。硅半导体掺杂少量的五价元素磷(P) N型硅 ：自由电子数量多多 数载流子（多子）；空穴数量很少少数载流子（少子）。电子型半导 体或n型半导体。掺杂少量的三价元素硼(B) P型硅：空穴数量多多数载流子（多 子）；自由电子数量很少少数载流子(少子)。空穴型半导体或p型半 导体。,图3-6
9、 n型和p型硅晶体结构,3.1 太阳能光伏发电原理,6. 掺杂半导体-杂质能级在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成 杂质能级。五价杂质原子形成施主能级，位于导带的下 面；三价杂质原子形成受主能级，位于价带的上面(图3-7)。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带 （或价带）中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就 是电离能（很小0.04eV ），掺杂杂质几乎全部电离 。,图3-7 施主和受主能级,3.1 太阳能光伏发电原理,7.载流子的产生与复合由于晶格的热振动，电子不断从价带被“激发”到导 带，形成一对电子和空穴（即电子-空穴对），这就是载流 子产生的过程。电子和空穴在晶
10、格中的运动是无规则的导带中的电子落 进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。这种现象叫做 电子和空穴的复合，即载流子复合。 一定的温度下晶体内产生和复合的电子-空穴对数目达到 相对平衡，晶体的总载流子浓度保持不变，热平衡状态 。由于光照作用，产生光生电子-空穴对，电子和空穴的产 生率就大于复合率，形成非平衡载流子，称为光生载流子。,3.1 太阳能光伏发电原理,8.载流子的输运半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子 有两种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，与晶格、杂质、 缺陷发生碰撞，运动方向不断改变，平均位移等于零，这 种现象叫做散射。散射不会形成电流。
11、半导体中载流子在外加电场的作用下，按照一定方向的 运动称为漂移运动。外界电场的存在使载流子作定向的漂 移运动，并形成电流。扩散运动是半导体在因外加因素使载流子浓度不均匀而 引起的载流子从浓度高处向浓度低处的迁移运动。扩散运动和漂移运动不同，它不是由于电场力的作用产 生的，而是由于载流子浓度差的引起的。,3.1.2 p-n结n型半导体和p型半导体紧密接触，在交界处n区中电子 浓度高，要向p区扩散，在N区一侧就形成一个正电荷的区 域；同样，p区中空穴浓度高，要向n区扩散，p区一侧就形 成一个负电荷的区域。这个n区和p区交界面两侧的正、负 电荷薄层区域称为“空间电荷区”，即p-n结内建电场E 电势差
12、UD电势能 电势能=电荷电势=(q)(UD)=qUD qUD通常称作势垒高度。 内建电场一方面阻止“多子”的扩散运动，另一方面增 强“少子”漂移运动，最终达到平衡状态。,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n结,(a) n区电子往P区 (b) p区空穴往N区 (c) p-n结电场 扩散在n区形成带 扩散在p区形成带 正电的薄层A 负电的薄层B图3-8 p-n结电子与空穴的扩散,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-n结,(a) 形成p-n结前载流子的扩散过程 (b) 空间电荷区和内建电场 图3-8 p-n结,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.2 p-
13、n结单向导电性 当p-n结加上正向偏压，外加电场的方向与内建电场的方 向相反，打破了扩散运动和漂移运动的相对平衡，形成通 过p-n结的电流（称为正向电流），较大；当p-n结加上反向偏压 ，构成p-n结的反向电流，很小。,图3-9 p-n结单向导电特性,3.1 太阳能光伏发电原理,3.1.3 光伏效应太阳能电池1.光伏效应当太阳电池受到光照时，光在n区、空间电荷区和p区被吸收，分别 产生电子-空穴对。由于入射光强度从表面到太阳电池体内成指数衰 减，在各处产生光生载流子的数量有差别，沿光强衰减方向将形成光生 载流子的浓度梯度，从而产生载流子的扩散运动。n区中产生的光生载流子到达p-n结区n侧边界时
14、，由于内建电场的 方向是从n区指向p区，静电力立即将光生空穴拉到p区，光生电子阻留 在n区。p区中到达p-n结区p侧边界的光生电子立即被内建电场拉向n区，空 穴被阻留在p区。空间电荷区中产生的光生电子-空穴对则自然被内建电场分别拉向n 区和p区。,3.1 太阳能光伏发电原理,1.光伏效应 p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光 生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两 边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光 生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池 的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。,图3-
15、10 光伏效应示意图,3.1 太阳能光伏发电原理,1.光伏效应 太阳能电池当太阳能电池的两端接上负载，光伏电动势就形成电流。,图3-11 太阳电池的发电原理,3.1 太阳能光伏发电原理,2.1.4太阳电池的结构和性能1.太阳电池的结构最简单的太阳电池是由p-n结构成的，如图3-142示，其 上表面有栅线形状的上电极，背面为背电极，在太阳电池 表面通常还镀有一层减反射膜。,图3-12 太阳电池的结构和符号,3.1 太阳能光伏发电原理,1.太阳电池的结构硅太阳电池一般制成p/n型结构或n/p型结构。太阳电池输出电压的极性，p型一侧电极为正，n型一侧 电极为负。 根据太阳电池的材料和结构不同，分为许
16、多种形式，如p 型和n型材料均为相同材料的同质结太阳电池(如晶体硅太阳 电池)；p型和n型材料为不同材料的异质结太阳电池硫化镉 /碲化镉(CdS/CdTe)，硫化镉/铜铟硒(CdS/CulnSe2)薄膜太阳 电池；金属-绝缘体-半导体(MIS)太阳电池；绒面硅太阳电 池；激光刻槽掩埋电极硅太阳电池；钝化发射结太阳电 池；背面点接触太阳电池；叠层太阳电池等。,3.1 太阳能光伏发电原理,2.太阳电池的技术参数（1）开路电压（Uoc）受光照的太阳电池处于开路状态，光生载流子只能积累 于p-n结两侧产生光生电动势，这时在太阳电池两端测得的 电势差叫做开路电压，用符号Uoc表示。（2）短路电流（Isc
17、）如果把太阳电池从外部短路测得的最大电流，称为短路 电流，用符号Isc表示。,图3-13 硅光电池的开路电压 和短路电流与光照度关系,3.1 太阳能光伏发电原理,（3）最大输出功率（P）把太阳电池接上负载，负载电阻中便有电流流过，该电 流称为太阳电池的工作电流（I），也称负载电流或输出电 流。负载两端的电压称为太阳电池的工作电压(U)。太阳电 池的输出功率P=UI。太阳电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将 不同阻值所对应的工作电压和电流值作成曲线，就得到太 阳电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出 电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率（Pm） 。 此时的工作电压和工作电
18、流称为最佳工作电压（Um）和 最佳工作电流（Im ），Pm=UmIm。,3.1 太阳能光伏发电原理,（4）填充因子（FF）太阳电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输 出功率与开路电压和短路电流乘积之比：（5）转换效率（）太阳电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻 时的最大能量转换效率，等于太阳电池的最大输出功率与 入射到太阳电池表面的能量之比：,3.1 太阳能光伏发电原理,3.太阳电池的伏-安特性及等效电路太阳电池的电路及等效电路如图3-14所示。ID(二极管电流)为通过p-n结的总扩散电流，与Isc反向；Rs 串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电 阻和电极与硅表面
19、接触电阻所组成，很小；Rsh为旁路电 阻，主要由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的，很大。,(a)光照时太阳电池的电路 (b)光照时太阳电池的等效电路 图3-14太阳电池的电路及等效电路,3.1 太阳能光伏发电原理,当RL=0时，所测的电流为电池的短路电流Isc。 Isc与电池 面积成正比，1cm2太阳电池的Isc值为1630mA；同一块太 阳电池，Isc值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高 时，Isc略有上升。当RL为无穷大时，所测得的电压为电池的开路电压Uoc， Uoc随光照度变化不大。,(a)光照时太阳电池的电路 (b)光照时太阳电池的等效电路 图3-14太阳电池的电路及等效电路,3
20、.1 太阳能光伏发电原理,伏安特性曲线,图3-15 太阳电池的电流-电压关系曲线 图3-16 常用太阳电池电流-电压特性曲线1-未受光照；2-受光照 I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流；U-电压； Uoc-开路电压；Um-最大工作电压；Pm-最大功率,3.1 太阳能光伏发电原理,太阳电池性能的测试须在标准条件太阳电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳 光谱分布和太阳电池（组件）的工作温度，因此太阳电池 性能的测试须在标准条件（STC）下进行。测量标准被欧洲 委员会定义为101号标准，其测试条件是：光谱辐照度1000W/m2 ；大气质量为AM1.5时的光谱分布；电池温度25。在
21、该条件下，太阳电池（组件）输出的最大功率称为峰 值功率。,3.1 太阳能光伏发电原理,串、并联电阻对硅太阳电池输出(Uoc、Isc、FF)性能的影 响。(入射光强为l000W/m2，电池面积为2cm2）,(a)串联电阻的影响 (b)并联电阻的影响 图3-17太阳电池串、并联电阻的影响,3.2 太阳能电池材料制备*,硅太阳能电池（单晶、多晶和非晶硅太阳电池）是目前 使用最广泛的太阳能电池，占太阳能电池总产量的90%以 上。晶体硅太阳能电池的一般生产制造工艺：硅材料的制备太阳能电池的制造太阳能电池组件的封装硅砂(SiO2)冶金硅(MG-Si)晶体硅(Si)硅片 光伏电池片电池组件电池方阵,3.2
22、太阳能电池材料制备*,3.2.1 硅材料的优异性能（1） Si材料丰富，易于提纯，纯度可达12个9(12N)； （电子级硅9N，太阳能电池硅6N即可）（2） Si原子占晶格空间小（34%），有利于电子运动和 掺杂；,3.2 太阳能电池材料制备*,（3）Si原子核外4个，掺杂后，容易形成电子-空穴对；（4）容易生长大尺寸的单晶硅（4001100mm，重 438kg）；（5）易于通过沉积工艺制作单晶Si、多晶Si和非晶Si薄 层材料；,3.2 太阳能电池材料制备*,（6）易于腐蚀加工；（7）带隙适中（在室温下硅的禁带宽度Eg1.l2eV ）， 受本征激发影响小；（8） Si材料力学性能好，便于机加
23、工；（9）Si材料理化性能稳定；（10）Si材料便于金属掺杂，制作低阻值欧姆接触；（11）切片损伤小，便于可控钝化；（12）Si材料表面SiO2薄层制作简单， SiO2薄层有利于减 小反射率，提高太阳能电池发电效率； SiO2薄层绝缘好， 便于电气绝缘的表面钝化； SiO2薄层是良好的掩膜层和阻 挡层。Si 材料是优良的光伏发电材料！,3.2 太阳能电池材料制备*,3.2.2 硅材料的制备制造太阳电池的硅材料以石英砂（SiO2）为原料，先把石 英砂放入电炉中用碳还原得到冶金硅，较好的纯度为 98%99%。冶金硅与氯气（或氯化氢）反应得到四氯化硅 （或三氯氢硅），经过精馏使其纯度提高，然后通过氢
24、气 还原成多晶硅。多晶硅经过坩埚直拉法（Cz法）或区熔法 （Fz法）制成单晶硅棒，硅材料的纯度可进一步提高，要 求单晶硅缺陷和有害杂质少。 石英砂冶金硅多晶硅单晶硅从硅材料到制成太阳电池组件，需要经过一系列复杂的 工艺过程，以多晶硅太阳电池组件为例，其生产过程大致 是： 硅砂硅锭硅片电池片电池组件,3.2 太阳能电池材料制备*,1.高纯多晶硅的制备（1）硅砂冶金硅（MG-Si）： SiO2 + 2CSi+2CO （2）冶金硅高纯多晶硅：电子级硅( EG-Si) ，9N(99.9999999%)以上纯度；太阳能级硅(SG-Si)，7N以上纯度。四氯化硅法： SiCl4+2H2Si +4HCl 三
25、氯氢硅法（改良西门子法） ：SiO2 +2CSi +2CO2Si +3HClSiHCl3 + H2SiHCl3+H2Si+3HCl,图3-19 硅砂制备高纯多晶硅工艺流程,3.2 太阳能电池材料制备*,改良西门子法工艺流程,图3-20 改良西门子法工艺流程图,3.2 太阳能电池材料制备*,硅烷法硅烷（SiH4）生产的工艺是基于化学反应 2Mg+SiMgSi， 然后将硅化镁和氯化铵进行如下化学反应: MgSi+4NH4ClSiH4+2MgCl2+4NH3 从而得到气体硅烷。高浓度的硅烷是一种易燃、易爆气 体，要用高纯氮气或氢气稀释到3%5%后充入钢瓶中使 用。硅烷可以通过减压精馏、吸附和预热分解
26、等方法进行 纯化，化学反应式为 SiH4Si+2H2,3.2 太阳能电池材料制备*,2.多晶硅锭的制备 多晶硅棒 多晶硅铸锭 （1）定向凝固法 （2）浇铸法,图3-21 多晶硅定向凝固法原理图,3.2 太阳能电池材料制备*,3.片状硅的制备片状硅又称硅带，是从熔体中直接生长出来，可以减少 由于切割而造成硅材料的损失，工艺也比较简单，片厚 100200rm。主要生长方法有限边喂膜（EFG）法、枝蔓 蹼状晶（WEB）法、边缘支撑晶（ESP）法、小角度带状 生长法、激光区熔法和颗粒硅带法等。,3.2 太阳能电池材料制备*,4.单晶硅的制备（1）直拉单晶法（Cz）,3.2 太阳能电池材料制备*,直拉单
27、晶炉,3.2 太阳能电池材料制备*,（2）区熔法（Fz）,3.2 太阳能电池材料制备*,内热式区熔炉结构示意图,3.3 太阳能电池制造工艺,3.3.1 硅片的加工晶体硅硅片硅片的加工，是将硅锭经表面整形、定向、切割、研磨、 腐蚀、抛光、清洗等工艺，加工成具有一定直径、厚度、 晶向和高度、表面平行度、平整度、光洁度，表面无缺陷、 无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。,图3-23 硅片加工工艺流程,3.3 太阳能电池制造工艺,3.3.1 硅片的加工1. 切片工艺技术的原则要求： （1）切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差 小；（2）断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；（3）提
28、高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损 耗；（4）提高切割速度，实现自动化切割。2.切片方法：外圆切割、内圆切割、线切割以及激光切割等。,3.3 太阳能电池制造工艺,内圆切割 ： 用内圆切割机将硅锭切割成0.20.4mm的薄片。其刀体的 厚度0.1mm左右，刀刃的厚度0.200.25mm，刀刃上黏有金 刚砂粉。切割过程中，每切割一片，硅材料有0.30.35mm 的厚度损失，因此硅材料的利用率仅为4050%。内圆切割 刀片的示意图，如图3-24所示。,图3-24 内圆切割刀片示意图,3.3 太阳能电池制造工艺,内圆切割方法，可分为4类：（a）刀片水平安装，硅料水平方向送进切割；（b）刀片垂直
29、安装，硅料水平方向送进切割；（c）刀片垂直安装，硅料垂直方向送进切割；（d）刀片固定，硅片垂直方向送进切割。,图3-25 内圆式切割机切割分类方法示意图,3.3 太阳能电池制造工艺,线切割机切片 一根长达几千米的线两头缠绕在转鼓上，这根线在带磨 料的悬浮液中切割硅晶体。切片更快，硅片更薄 （0.180.2mm），硅损 失更少（30%）。,图3-26 硅片线切割示意图,3.3 太阳能电池制造工艺,表3-2 线切割与内圆切割特征的比较,3.3 太阳能电池制造工艺,激光切片机,3.3 太阳能电池制造工艺,3.3.2 硅太阳能电池的制造硅片电池片制造晶体硅太阳能电池包括绒面制备、扩散制结、制作 电极和
30、制备蒸镀减反射膜等主要工序。常规晶体硅太阳能 电池的一般生产制造工艺流程如图3-27所示。,图3-27 晶体硅太阳能电池生产制造工艺流程,3.3 太阳能电池制造工艺,3.3.2 硅太阳能电池的制造1.硅片的选择硅片通常加工成方形、长方形、圆形或半圆形，厚度为 0.180.4mm。 2.硅片的表面处理 （1）化学清洗去污，高纯水，有机溶剂，浓酸，强碱。 （2）硅片的表面腐蚀去除3050m表面厚的损伤层。 酸性腐蚀 浓硝酸与氢氟酸的配比为（10:1）（2:1）；硝酸、氢氟酸与醋酸的一般配比为5:3:3或5:1:1或6:1:1 。 碱性腐蚀氢氧化钠、氢氧化钾等碱溶液 。,3.3 太阳能电池制造工艺,
31、3.绒面制备单晶硅绒面结构的制备，就是就是利用硅的各向异性腐 蚀(NaOH，KOH) ，在硅表面形成金字塔结构。绒面结构，使入射光在硅片表面多次反射和折射，有助于 减少光的反射，增加光 的吸收，提高电池效率。,图3-28 绒面结构 减少光的反射,3.3 太阳能电池制造工艺,4.扩散制结制结过程：在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散 层。制结方法：热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金 法、激光法和高频电注入法等。 热扩散法制结：采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行 扩散。扩散前，氮化硼片先在扩散温度下通氧30min，使其 表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅 表面，硼向硅内部扩
32、散。扩散温度为950l000，扩散时间 为1530min，氮气流量为2L/min。扩散要求：获得适合于太阳能电池p-n结需要的结深 (0.30.5m)和扩散层方块电阻R(平均为20l00/囗)。,3.3 太阳能电池制造工艺,5.去除背结 在扩散过程中，硅片的背面也形成了p-n结，所以在制 作电极前需要去除背结。去除背结的常用方法，主要有化学腐蚀法、磨片法和蒸 铝或丝网印刷铝浆烧结法等。（1）化学腐蚀法掩蔽前结后用腐蚀液蚀去其余部分的扩散层。该法可同 时除去背结和周边的扩散层，因此可省去腐蚀周边的工 序。腐蚀后，背面平整光亮，适合于制作真空蒸镀的电 极。前结的掩蔽一般用涂黑胶的方法。硅片腐蚀去背
33、结后 用溶剂去真空封蜡，再经浓硫酸或清洗液煮沸清洗，最后 用去离子水洗净后烤干备用。,3.3 太阳能电池制造工艺,（2）磨片法用金刚砂磨去背结。也可将携带砂粒的压缩空气喷射到 硅片背面以除去背结。背结除去后，磨片后背面形成一个 粗糙的硅表面，适用于化学镀镍背电极的制造。（3）蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法前两种方法对n+/p型和p+/n型电池制造工艺均适用，本 法则仅适用于n+/p型电池制造工艺。此法是在扩散硅片背 面真空蒸镀或丝网印刷一层铝，加热或烧结到铝-硅共熔 点(577)以上使它们成为合金。经过合金化以后，随着降 温，液相中的硅将重新凝固出来，形成含有少量铝的再结 晶层。实际上是一个对硅掺杂
34、过程。在足够的铝量和合金 温度下，背面甚至能形成与前结方向相同的电场，称为背 面场。,3.3 太阳能电池制造工艺,6.制备减反射膜硅表面对光的反射损失率高达35%左右。减反射膜作用：减反射膜不但具有减少光反射的作用， 而且对电池表面还可起到钝化和保护的作用。制备方法：采用真空镀膜法、气相生长法或其它化学方 法等，在已制好的电池正面蒸镀一层或多层二氧化硅或二 氧化钛或五氧化二钽或五氧化二铌减反射膜。技术要求：膜对入射光波长范围的吸收率要小，膜的理 化能稳定，膜层与硅粘接牢固，膜耐腐蚀，制作工艺简 单、价格低廉。二氧化硅膜，镀一层减反射膜可将入射光的反射率减少 到10%左右，镀两层则可将反射率减少
35、到4%以下。,3.3 太阳能电池制造工艺,7.腐蚀周边在扩散过程中，硅片的周边表面也有扩散层形成。硅片 周边表面的扩散层会使电池上下电极形成短路环，必须将 其去除。周边上存在任何微小的局部短路，都会使电池并 联电阻下降，以致成为废品。去边的方法：主要有腐蚀法和挤压法。腐蚀法是将硅片 两面掩好，在硝酸、氢氟酸组成的腐蚀液中腐蚀30s左右； 挤压法则是用大小与硅片相同而略带弹性的耐酸橡胶或塑 料与硅片相间整齐地隔开，施加一定压力阻止腐蚀液渗入 缝隙，以取得掩蔽的方法。,3.3 太阳能电池制造工艺,8.制作上、下电极所谓电极，就是与电池p-n结形成紧密欧姆接触的导电材 料。通常对电极的要求有：接触电
36、阻小；收集效率 高；遮蔽面积小；能与硅形成牢固的接触；稳定性 好；宜于加工；成本低；易于引线，可焊性强； 体电阻小；污染小。制作方法：真空蒸镀法、化学镀镍法、银/铝浆印刷烧结 法等。所用金属材料：铝、钛、银、镍等。电池光照面的电极称为上电极（窄细的栅线状，有利于 收集光生电流，并保持较大受光面积 ），制作在电池背面 的电极称为下电极或背电极（全部或部分布满背面，减小 电池的串联电阻 ）。 n+/p型电池上电极是负极，下电极是正极；p+/n型电池上 电极是正极，下电极是负极。,3.3 太阳能电池制造工艺,铝浆印刷烧结法工艺：把硅片置于真空镀机的钟罩内， 当真空度抽到足够高时，便凝结成一层铝薄膜，
37、其厚度控 制在30l00nm；然后，再在铝薄膜上蒸镀一层银，厚度为 25m，为便于电池的组合装配，电极上还需钎焊一层锡- 铝-银合金焊料；此外，为得到栅线状的上电极，在蒸镀铝 和银时，硅表面需放置一定形状的金属掩膜。上电极栅线 密度一般为24条/cm，多的可达1019条/cm，最多的可达 60条/cm。丝网印刷技术制作上电极，是用涤纶薄膜等制成所需电 极图形的掩膜，贴在丝网上，然后套在硅片上，用银浆、 铝浆印刷出所需电极的图形，经过在真空和保护气氛中烧 结，形成牢固的接触电极。成本低，便于自动化连续生产,3.3 太阳能电池制造工艺,9.检验测试太阳电池制作经过上述工艺完成后，在作为成品电池入
38、库前，必须通过测试仪器测量其性能参数，以检验其质量 是否合格。一般需要测量的参数有最佳工作电压、最佳工 作电流、最大功率(也称峰值功率)、转换效率、开路电 压、短路电流、填充因子等，通常还要画出太阳电池的伏 安（I-U）特性曲线。现代测试方法：,图3-29 太阳电池测试 设备系统框图,3.3 太阳能电池制造工艺,典型晶硅电池片技术参数尺寸：156mm156mm0.5mm厚度（Si）：190m20m正面（）：氮化硅减反膜；1.9mm银栅线背面（+）：AL背场；3mm银背极开路电压(V)：0.625%短路电流(A)：9.015%最大功率点电压：0.515 V最大功率点电流：7.914 A 温度系数
39、：Tk Voltage 0.349%/KTk Current 0.033%/KTk Power 0.44%/K,3.3 太阳能电池制造工艺,3.3.3 新型太阳能电池简介1.新型高效单晶硅太阳电池（1）发射极钝化及背表面局部扩散太阳电池(PERL),图3-30 PERL太阳电池,3.3 太阳能电池制造工艺,（2）埋栅太阳电池(BCSC)采用激光刻槽或机械刻槽。激光在硅片表面刻槽，然后 化学镀铜，制作电极。如图3-31所示。批量生产这种电池 的光电效率已达17%，我国实验室光电效率为19.55%。,图3-31 BCSC太阳电池,3.3 太阳能电池制造工艺,（3）高效背表面反射器太阳电池(BSR)
40、这种电池的背面和背面接触之间用真空蒸镀的方法沉积 一层高反射率的金属表面（一般为铝）。背反射器就是将 电池背面做成反射面，它能发射透过电池基体到达背表面 的光，从而增加光的利用率，使太阳电池的短路电流增 加。（4）高效背表面场和背表面反射器太阳电池(BSFR)BSFR电池也称为漂移场太阳电池，它是在BSR电池结构 的基础上再做一层p+层。这种场有助于光生电子-空穴对的 分离和少数载流子的收集。目前BSFR电池的效率为14.8%.,3.3 太阳能电池制造工艺,2.多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜是由许多大小不等和具有不同晶面取向的小 晶粒构成，其特点是在长波段具有高光敏性，对可见光能 有效吸收，又具
41、有与晶体硅一样的光照稳定性，因此被认 为是高效、低耗的理想光伏器件材料。目前多晶硅薄膜太阳电池光电效率达16.9%，但仍处于 实验室阶段，如果能找到一种好的方法在廉价的衬底上制 备性能良好的多晶硅薄膜太阳电池，该电池就可以进入商 业化生产，这也是目前研究的重点。多晶硅薄膜太阳电池 由于其良好的稳定性和丰富的材料来源，是一种很有前途 的地面用廉价太阳电池。,3.3 太阳能电池制造工艺,3.非晶硅太阳电池（1）非晶硅的优点有较高的光学吸收系数，在0.3150.75m的可见光波长范围内，其吸收系数比单晶硅高一个数量级，因此，很薄(1m左右)的非晶硅就能吸收大部分的可见光，制备材料成本也低；禁带宽度为
42、1.52.0eV，比晶体硅的1.l2eV大，与太阳 光谱有更好的匹配；制备工艺和所需设备简单，沉积温度低(300400)， 耗能少；可沉积在廉价的衬底上，如玻璃、不锈钢甚至耐温 塑料等，可做成能弯曲的柔性电池。,3.3 太阳能电池制造工艺,（2）非晶硅太阳电池结构及性能非晶硅太阳电池结构性能较好的非晶硅太阳电池结构有p-i-n结构，如图3-32 所示。,图3-32非晶硅太阳电池结构,3.3 太阳能电池制造工艺,非晶硅太阳电池的性能a.非晶硅太阳电池的电性能非晶硅太阳电池的实验室光电转换效率达15%，稳定效 率为13%。商品化非晶硅太阳电池的光电效率一般为 6%7.5%。温度升高，对其效率的影响
43、比晶体硅太阳电池 要小。b.光致衰减效应非晶硅太阳电池经光照后，会产生10%30%的电性能 衰减光致衰减效应，此效应限制了非晶硅太阳电池作 为功率发电器件的大规模应用。为减小这种光致衰减效应 又开发了双结和三结的非晶硅叠层太阳电池，目前实验室 光致衰减效应已减小至10%。,3.3 太阳能电池制造工艺,4.化合物薄膜太阳电池 薄膜太阳电池由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底 或薄膜上的几微米或几十微米厚的半导体膜构成。由于其 半导体层很薄，可以大大节省太阳电池材料，降低生产成 本，是最有前景的新型太阳电池。 （1）化合物多晶薄膜太阳电池除上面介绍过的a-Si太阳电池和多晶Si薄膜太阳电池 外，目
44、前已开发出化合物多晶薄膜太阳电池，主要有：硫 化镉/碲化镉(CdS/CdTe)、硫化镉/铜镓铟硒 (CdS/CuGalnSe2 ).硫化镉/硫化亚铜(CdS/Cu2S)等，其中 相对较好的有CdS/CdTe电池和CdS/CuGalnSe2电池。,3.3 太阳能电池制造工艺,（2）化合物薄膜太阳电池的制备CdS/CdTe薄膜太阳电池CdS/CdTe薄膜太阳电池制造工艺完全不同于硅太阳电 池，不需要形成单晶，可以连续大面积生产，与晶体硅太 阳电池相比，虽然效率低，但价格比较便宜。这类电池目 前存在性能不稳定问题，长期使用电性能严重衰退，技术 上还有待于改进。CdS/CulnSe2薄膜太阳电池CdS
45、/CulnSe2薄膜太阳电池，是以铜铟硒三元化合物半 导体为基本材料制成的多晶薄膜太阳电池，性能稳定，光 电转换效率较高，成本低，是一种发展前景良好的太阳电 池。,3.3 太阳能电池制造工艺,5. 砷化镓太阳电池（1）砷化镓太阳电池的优点砷化镓的禁带宽度(1.424eV)与太阳光谱匹配好，效率 较高；禁带宽度大，其太阳电池可适应高温下工作；砷化镓的吸收系数大，只要5m厚度就能吸收90%以 上太阳光，太阳电池可做得很薄；砷化镓太阳电池耐辐射性能好，由于砷化镓是直接跃 迁型半导体，少数载流子的寿命短，所以，由高能射线引 起的衰减较小；在砷化镓多晶薄膜太阳电池中，晶粒直径只需几个微 米；,3.3 太
46、阳能电池制造工艺,在获得同样转换效率的情况下，砷化镓开路电压大， 短路电流小，不容易受串联电阻影响，这种特征在大倍数 聚光、流过大电流的情况下尤为优越。（2）砷化镓太阳电池的缺点砷化镓单晶晶片价格比较昂贵；砷化镓密度为5.318g/cm3 （298K），而硅的密度为 2.329g/cm3（298K），这在空间应用中不利；砷化镓比较脆，易损坏。采用液相外延技术，在砷化镓表面生长一层光学透明的 宽禁带镓铝砷（Ga1xAlxAs）异质面窗口层，阻碍少数载 流子流向表面发生复合，使效率明显提高。,3.3 太阳能电池制造工艺,（3）砷化镓太阳电池的结构砷化镓异质面太阳电池的结构如图3-33所示，目前单结
47、 砷化镓太阳电池的转换效率已达27%，GaP/GaAs叠层太 阳电池的转换效率高达30%(AM1.5，l000W/m2 , 25)。由于GaAs太阳电池具有较高的效率和良好的耐辐照特 性，国际上已开始在部分卫星上试用，转换效率为 17%18%（AM0）。,图3-33 砷化镓异质面太阳电池的结构,3.3 太阳能电池制造工艺,6.聚光太阳电池聚光太阳电池是在高倍太阳光下工作的太阳电池。通过 聚光器，使大面积聚光器上接受的太阳光汇聚在一个较小 的范围内，形成“焦斑”或“焦带”。位于焦斑或焦带处的太 阳电池得到较高的光能，使单体电池输出更多的电能，其 潜力得到了发挥。输出功率、短路电流 等基本上与光强
48、成比例 增加。要求特殊的密栅线设 计和制造工艺。,图3-34 聚光太阳电池的电极,3.3 太阳能电池制造工艺,跟踪装置：为了更加充分地利用太阳光，使太阳总是能 够精确地垂直入射在聚光电池上，尤其是对于高倍聚光系 统，必须配备跟踪装置。 跟踪方法：单轴跟踪：只在东西方向跟踪太阳，180/天；双轴跟踪：东西方向和南北方向（46.90/年 ）跟踪。跟踪装置：机械结构和控制部分石英晶体为振荡源，驱动步进机构，每隔4min驱动一 次，每次立轴旋转1，每昼夜旋转360的时钟运动方式， 进行单轴、间歇式主动跟踪。 光敏差动自动跟踪控制器控制方式 。,3.3 太阳能电池制造工艺,7.光电化学太阳电池（1）光电化学太阳电池的特点1839年发现电化学体系的光效，应利用半导体-液体结制 成的电池称为光电化学电池。优点：形成半导体-电解质界面很方便，制造方法简单，没 有固体器件形成p-n结和栅线时的复杂工艺，从理论上 讲，其转换效率可与p-n结或金属栅线接触相比较； 可以直接由光能转换成化学能，这就解决了能源储存 问题；几种不同能级的半导体电极可结合在一个电池内使光 可以透过溶液直达势垒区；可以不用单晶材料而用半导体多晶薄膜，或用粉末烧 结法制成电极材料。,
